Aufbau der Zelle, Biomoleküle, Aminosäuren, Peptidbindung

Übung 1 / 2, Thema:
Aufbau der Zelle, Biomoleküle, Aminosäuren, Peptidbindung
1. Zeichnen Sie schematisch eine eukaryotische Zelle, benennen Sie die einzelnen
Strukturen und deren Funktion. Was sind die entscheidenden Unterschiede zur
prokaryotischen Zelle?
2. Welche Vorgänge liegen der Entwicklung von Eukaryoten hypothetisch zugrunde?
3 .Nennen und beschreiben Sie vier nicht-kovalente Wechselwirkungen bei Biomolekülen.
4. Aus welchen 20 Bausteinen bestehen Proteine und wie würden Sie diese Bausteine
aufgrund ihrer Eigenschaften (z.B. Ladung) sinnvoll in Kategorien einteilen?
5. Zeichnen Sie die Titrationskurve einer neutralen, einer sauren und einer basischen
Aminosäure. Was ist der pK-Wert und was der isoelektrische Punkt einer Aminosäure?
(Markieren Sie diese Punkte in Ihren Titrationskurven).
6. Zeichnen Sie eine Peptidbindung und erklären Sie ihre Eigenschaften.
7. Gegeben sei folgende Sequenz innerhalb eines Proteins:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
– Cys – Phe – Ile – Gln – Thr – Cys – Pro – Tyr – Gly –
Beschreiben Sie welche der folgenden Eigenschaften welcher Aminosäure zuzuordnen
sind: bildet Disulfidbrücken aus, kann phosphoryliert werden, ermöglicht hydrophobe
Wechselwirkungen.
8. Zeichnen Sie die Strukturformel des Tetrapeptides „Glu-Ala-Lys-Ile“ bei einem
pH Wert < 2.
[9. Skizzieren Sie die Struktur des ATPs. Worin begründet sich dessen hohes Phosphorylgruppenübertragungspotential?]
[10. ATP dient als Energieüberträger im Rahmen der energetischen Kopplung in der Zelle.
Definieren Sie den Begriff "energetische Kopplung" und nennen Sie weitere Funktionen, die
Nukleotide im Stoffwechsel haben.]
Übung 3/4 Thema:
Proteine: Raumstruktur
Proteine: Methoden
1. Beschreiben Sie die Eigenschaften der Peptidbindung.
2. Was versteht man unter einer Primär,- Sekundär,- Tertiär- und Quartär-Struktur bei
Proteinen?
3. Lässt sich die Raumstruktur eines Proteins ohne weitere Strukturinformationen aus der
Primärstruktur vorhersagen? Begründen Sie Ihre Antwort.
4. Erklären Sie, warum Glycin- und Prolinreste nur selten in -Helices auftreten? In welcher
Sekundärstruktur tritt Prolin am häufigsten auf? Nennen Sie die Gründe hierfür.
5. Wie viele Windungen besitzt eine aus 18 Aminosäuren aufgebaute -Helix?
6. Welches der nachfolgenden Peptide wird am wahrscheinlichsten eine -helikale Struktur
annehmen und warum?
a) LKAANIEARASEALD
b) RAGGFPWDQPGTFAG
7. Wie orientieren sich unpolare Aminosäuren in Proteinen (befinden sie sich auf der
Außenseite des Proteins oder eher im Inneren des Proteins)? Begründen Sie Ihre
Antwort.
8. Nach welchen Prinzipien funktionieren Gelfiltrations-, Ionenaustausch- und
Affinitätschromatographie? Welche dieser Methoden ist am besten geeignet, um ein
bestimmtes Proteinmolekül aus einem Gemisch von Proteinen zu isolieren?
9. Nennen Sie allgemeine Beispiele der Affinitätschromatographie.
10. Nennen Sie drei Methoden, um Molekulargewichte von Proteinen zu bestimmen.
11. Wozu verwendet man die SDS-Gelelektrophorese und wie funktioniert sie?
12. Beschreiben Sie das Prinzip des Immuno-Blots
13. Gegeben sei ein Proteinkomplex (150 kDa) aus 3 unterschiedlich großen Untereinheiten:
30 kDa, 50 kDa und 70 kDa. Davon sind 2 Untereinheiten durch Disulfidbrücken
miteinander verknüpft.
a. Mit welcher Methode kann man die Größe des Gesamtkomplexes bestimmen?
b. Wie kann man alle 3 Untereinheiten voneinander trennen?
c. Wie kann man die beiden durch Disulfidbrücken verknüpften Untereinheiten
identifizieren?
Übung 5/6
Proteinfaltung, Chaperone, Allosterische Proteine
1. Was versteht man unter einem „molten globule“ und dem hydrophoben Kollaps?
2. Einige Proteine unterstützen die Proteinfaltung. Wie nennt man diese Hilfsproteine?
Nennen Sie drei dieser Proteinfaltungshelfer und ihre Funktion.
3. Wie verhalten sich hydrophobe Wechselwirkungen bei Erhöhung des Salzgehalts
(z.B. NaCl)? Werden sie abgeschwächt, verstärkt, oder bleiben sie konstant?
4. Worin besteht der Unterschied zwischen
a) einem Cofaktor und einer prosthetischen Gruppe?
b) einem Apoprotein und einem Holoprotein?
5. Was versteht man unter allosterischen Proteinen? Wann spricht man von Kooperativität?
6. Welche Sekundärstruktur dominiert im Hämoglobin?
a. Wie ist diese Sekundärstruktur stabilisiert?
b. Wie unterscheidet sich Hämoglobin und Myoglobin strukturell?
7. Zeichnen Sie die Sauerstoffdissoziationskurven von Hämoglobin und Myoglobin.
a. Was versteht man unter dem p50-Wert?
b. Welches der beiden Proteine hat den höheren p50-Wert und was sagt er über
die Sauerstoffaffinität aus?
c. Erklären Sie, wie und warum sich die beiden Kurvenverläufe unterscheiden.
8. Wie verändert sich die Sauerstoff-Affinität von Hämoglobin bei:
a. Erhöhung des pH-Werts
b.
Erhöhung der CO2-Konzentration
c.
Verringerung der 2,3-Bisphosphoglycerat-Konzentration
9. Erklären Sie die Toxizität von Kohlenmonoxid.
10. Wie wird die Sauerstoffversorgung des fetalen Organismus im Mutterleib sichergestellt?
Übung 7 /8, Thema:
Enzymkinetik, Enzymstruktur, Enzymmechanismen
1. Definieren Sie den Begriff „ Enzym“.
2. Aus welchen Komponenten kann ein funktionsfähiges Enzym bestehen?
3. Welche Hauptklassen von Enzymen gibt es? Ordnen Sie Trypsin und die
Pyruvatdecarboxylase ihrer Klasse zu.
4. Was versteht man unter der Wirkungs- bzw. der Substratspezifität eines Enzyms?
5. Warum ist die Effektivität von Enzymen Temperatur- und pH-abhängig?
6. Proteine werden durch einen Überschuss an Basen oder Säuren denaturiert. Welche
molekularen Interaktionen werden dabei beeinflusst? Nennen Sie eine weitere
Möglichkeit Proteine zu denaturieren.
7. Was gibt die Wechselzahl eines Enzyms an?
8. Die Acetylcholinesterase besitzt einen KM von 9,5*10-5 M und einen kcat von 1,4*104 s-1,
eine bakterielle DNA-Polymerase besitzt einen KM von 24,7*10-6 M und einen kcat von
1,05 s-1. Was bedeuten diese Zahlen in Bezug auf die Affinität der Enzyme zu ihrem
jeweiligen Substrat? Welches ist das „bessere“ Enzym?
9. Welche Bedingungen müssen gelten, damit die Michaelis-Menten-Kinetik angewendet
werden kann?
10. Ein fiktives Experiment ergibt für das Enzym XY folgende Meßwerte:
Substrat in µmol/L
v in µmol/s
0,0
0,0
1,0
1,6
2,0
2,5
3,0
3,2
4,0
3,5
5,0
3,7
6,0
3,9
7,0
4,0
8,0
4,1
9,0
4,2
Nehmen Sie an, alle Bedingungen für die Anwendung der Michaelis-Menten-Kinetik
seien gegeben und zeichnen Sie das zugehörige Diagramm (v über S). Welcher KM-Wert
ergibt sich für dieses Enzym?
11. Ein fiktives Experiment ergibt für das Enzym XY folgende Meßwerte bei Zusatz der
Inhibitoren A bzw. B. Entscheiden Sie anhand eines Michaelis-Menten-Diagramms, um
welche Art von Inhibitoren es sich handelt (kompetitiv, nicht-kompetitiv).
Substrat in
Ohne Inhibitor v in
InhibitorA v in
Inhibitor B v in
µmol/L
µmol/s
µmol/s
µmol/s
0,0
0,0
0,00
0,0
1,0
1,6
0,80
0,8
2,0
2,5
1,25
1,4
3,0
3,2
1,60
2,2
4,0
3,5
1,70
2,9
5,0
3,7
1,90
3,2
6,0
3,9
2,00
3,5
7,0
4,0
2,00
3,7
8,0
4,1
2,05
4,0
9,0
4,2
2,10
4,2
Übung 9/10, Thema:
Kohlenhydrat-Metabolismus I: Glycolyse, Gluconeogenese,
Glycogenstoffwechsel
1. Erläutern Sie den Begriff Kohlenhydrate und benennen Sie deren biologische
Funktionen.
2. Formulieren Sie die Zyklisierung der D-Glucose. Was sind Anomere?
3. Welche biologisch wichtigen Disaccharide kennen Sie?
4 Formulieren Sie die einzelnen Schritte der Glykolyse (Strukturformeln und
Enzymnamen). Welche dieser Schritte sind irreversibel?
5. Was versteht man unter Substratkettenphosphorylierung? Bei welchen Schritten findet
sie in der Glykolyse statt?
6. An welchen Stellen kann die Glykolyse reguliert werden? Welches ist das wichtigste
Kontrollelement der Glykolyse?
7. Formulieren Sie die für die Gluconeogenese spezifischen Reaktionen und nennen Sie
die beteiligten Enzyme. Welche zellulären Kompartimente sind an der Gluconeogenese
beteiligt?
8. Wie wird verhindert, dass Glykolyse und Gluconeogenese in der Zelle gleichzeitig
ablaufen?
9. Ein angeborener Defekt im Leberenzym Fructose-1,6-biphosphatase führt zu anomal
hohen Konzentrationen von Lactat im Blutplasma. Erklären Sie den Zusammenhang.
10. Wie ist Glykogen aufgebaut? Formulieren Sie einen repräsentativen Ausschnitt aus
dem Makromolekül.
11. Wie wird Glucose-6-Phosphat zur Glykogen-Synthese aktiviert?
Übung 11/12, Thema:
Kohlenhydrat-Metabolismus II: Citratzyklus und Atmungskette
1. Aus welchen Komponenten besteht der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
und welche wichtigen Reaktionen katalysiert er?
2. Wie wird der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex reguliert?
3. Formulieren Sie die einzelnen Schritte des Citratzyklus.
4. Formulieren Sie die oxidative Decarboxylierung von -Ketoglutarat zu
Succinyl-CoA.
5. Formulieren Sie die Substratkettenphosphorylierung im Citratzyklus.
6. Wie wird der Citratzyklus reguliert?
7. Nennen Sie alle Enzyme
Reduktionsäquivalenten führen.
des
Citratzyklus,
die
zur
Bildung
von
a) Welches dieser Enzyme ist in die innere Mitochondrienmembran
integriert?
b) Weshalb funktioniert der Citratzyklus nur aerob?
8. Formulieren Sie die spezifischen Reaktionsschritte des Glyoxylatzyklus.
Wozu dient er und in welchen Kompartimenten kommt er vor?
9.
Erläutern Sie das Prinzip der Atmungskette und nennen Sie die dabei beteiligten
Komponenten.
10. Wie arbeitet die ATP-Synthase und wie ist sie aufgebaut?
11. Warum werden „Reactive Oxygen Species“ (ROS) als schädigende Biomoleküle
definiert?
Übung 13/14 Thema:
Photosynthese
1. Zeichnen Sie Chlorophyll. Welche Funktion hat die Phytolseitenkette?
Wieso haben Chlorophyll a und b unterschiedliche Absorptionsspektren?
2. Welche Chromophore schließen die sogenannte „Grünlücke“? Zeichnen Sie ein
Beispiel!
3. Auf welche Weise kann ein angeregtes Chlorophyll a – Molekül seine Energie wieder
abgeben? Zeichnen Sie zur Erklärung ein Energieschema mit den verschiedenen
Anregungszuständen.
4. Zeichnen Sie das Redoxdiagramm der Lichtreaktion. Wie wird dieses wegen seiner
Form noch genannt? An welchen Stellen spielen Metallionen eine Rolle beim
Elektronentransport und wo Chinone?
5. Wieso sind Photosystem I (PSI), Photosystem II (PSII) und ATP-Synthase
ungleichmäßig in der Thylakoidmembran verteilt? Welche verschiedenen Bereiche
der Thylakoidmembran gibt es?
6. Welches ist das häufigste Enzym auf der Erde und welche Reaktion katalysiert es?
Wieso macht die oft als „verlustreich“ oder fehlerhaft bezeichnete Nebenreaktion
dieses Enzyms in manchen Situationen doch Sinn? Welche Reaktion überwiegt bei
hohen Temperaturen?
7. Nennen Sie die 3 Stufen des Calvin-Zyklus! Welche zwei Enzyme spielen bei der
Regeneration des Ribulose-1,5-bisphosphat eine Rolle und welche Reaktion
katalysieren sie?
8. Wieso werden in speziell angepassten Pflanzen (Name?) die CO2-Fixierung und der
Calvin-Zyklus (CO2-Assimilation) zeitlich oder räumlich voneinander getrennt?
9. Nennen Sie die entscheidenden Unterschiede
Phosphorylierung und der Photophosphorylierung.
zwischen
der
oxidativen
10. Nennen Sie die verschiedenen Speicherformen der Glucose und stellen Sie
Unterschiede heraus.
Übung15/16 Thema:
Lipide und Membranen. Lipoproteine,Lipidstoffwechsel
(Abbauwege), Lipidstoffwechsel (Aufbauwege)
1. Membranen
a) Wie ist eine biologische Membran aufgebaut?
b) Nennen Sie die wichtigsten Funktionen einer Membran.
2. Membranfluidität
a) Weshalb müssen Biomembranen fluid sein?
b) Wie wird die Membranfluidität reguliert (vgl. Säuger und z. B. E. Coli)?
3. Phosphoglyceride
a) Zeichnen Sie das Grundgerüst eines Phosphoglycerids.
b) Nennen Sie 5 Beispiele für Phosphoglyceride
4. Sphingoside
a) Wie sieht das Grundgerüst der Sphingoside aus?
b) Was ist ein Ceramid?
5. Nennen Sie einige wichtige Funktionen von Glycolipiden.
6. Welche Aufgabe hat Cholesterin und wie ist es aufgebaut?
7. Lipoproteine – Beschreiben Sie kurz den allg. Aufbau eines Lipoproteins und seine
Funktion.
8. Transport und Abbau von Triacylglyceriden (TAG)
a) Wie und wo werden TAG abgebaut (vgl. die Bestandteile Glycerin vs. Fettsäure)?
b) Formulieren Sie die vier Reaktionen, durch die aktivierte Fettsäuren um zwei
Kohlenstoffatome verkürzt werden
c) Durch welche intrazelluläre Membran müssen Fettsäuren vor deren Abbau transportiert
werden? In welcher Form werden die Fettsäuren dabei transportiert?
d) Beschreiben Sie kurz die Besonderheit beim Abbau ungesättigter sowie ungeradzahliger
Fettsäuren .
e) Kalkulieren Sie die Energiebilanz (ATP-Einheiten) für den vollständigen Abbau von
Palmitoyl-CoA (16:0-Fettsäure) zu CO2 und H2O unter Berücksichtigung folgender Vorgaben:
NADH/H = 2,5 ATP; FADH2 = 1,5 ATP. Nachvollziehbare Kalkulation aus den Metaboliten
angeben.
9. Fettsäuresynthese
a) In welchen Zellen und Zellkompartimenten findet die Fettsäuresynthese statt und wo
der Fettsäureabbau?
b) Welches ist das Schlüsselenzym der Fettsäuresynthese? Formulieren Sie die von
diesem Enzym katalysierte Reaktion.
c) Auf welche Weise wird Acetyl-CoA ins Cytosol transportiert?
d) Nennen Sie die 5 verschiedenen Reaktionstypen der Fettsäuresynthese
e) Formulieren Sie die Reaktionen der ersten Syntheserunde der Fettsäuresynthese.
Wie viele Elongationsrunden werden für die Synthese von Palmitinsäure benötigt?
10. Cholesterin-Biosynthese
a) In welchen Zellkompartimenten findet die Cholesterin-Biosynthese statt?
b) Wie wird das Schlüsselenzym der Cholesterin-Biosynthese reguliert?
c) Wie wird Cholesterin im Blut transportiert und auf welche Weise erfolgt die Aufnahme
des Cholesterins in die Zelle?
Übung 17/18, Thema:
Proteinabbau, Aminosäurestoffwechsel. DNA-Struktur,
DNA-Replikation
1. Proteinabbau
a) Beschreiben Sie das Prinzip des Proteinabbaus durch das Proteasom in der Zelle.
b) Formulieren Sie die Ubiquitinylierung eines Proteins.
2. Aminosäurestoffwechsel
a) Formulieren Sie die Desaminierung über die Transaminase (Aminotransferase) beim
Aminosäureabbau.
b) Zeichnen Sie jeweils die Strukturformel der entstehenden
-Ketosäure, wenn die
nachfolgend genannten Aminosäuren eine Transaminierung mit
-Ketoglutarat
erfahren: 1) Alanin, 2) Methionin, 3) Aspartat, 4) Phenylalanin.
c) Welches cytotoxisch wirkende Produkt fällt beim Aminosäureabbau an. Wie
verhindert die Zelle eine Akkumulation dieses Produkts? Formulieren Sie die Schritte
dieses Prozesses. In welchen Zellkompartimenten findet dieser Prozess statt?
d) Welches Enzym ist bei Menschen mit Phenylketonurie nicht funktionsfähig?
e) Welchen
Stoffwechselweg
bestreiten
ketogene
und
welchen
glucogene
Aminosäuren? Nennen Sie einige Beispiele.
DNA-Struktur, DNA-Replikation, Genetischer Code
1. Wie ist ein Nukleosid und wie ein Nukleotid aufgebaut?
2. Welche Basen kommen in der DNA vor und von welchen Grundbausteinen stammen
sie ab?
3. Aus welchen Bausteinen werden Pyrimidin-und Purinringe aufgebaut?
4. Wie kommt die DNA-Doppelhelix zustande?
5. Welche Verbindung dient bei der Methylierung von DNA als Methylgruppendonor und
wie wird diese Verbindung hergestellt?
6. Welche Klassen von RNA gibt es und was sind die jeweiligen Funktionen?
7. Welche Vorgänge laufen an einer Replikationsgabel ab?
Übung 19/20, Thema:
Transkription, Translation, Gentechnik
1. In einem eukaryotischen Organismus kommen zwei sehr ähnliche Proteine vor, die in
großen Bereichen eine identische Aminosäuresequenz haben. In einigen Bereichen
kommen aber Sequenzabschnitte vor, die im jeweils anderen Protein nicht vorzufinden
sind. Im Organismus gibt es genau ein Gen, welches für die Proteine kodieren
kann/könnte. Welcher Mechanismus ist dafür verantwortlich, dass die zwei
unterschiedlichen Proteine gebildet werden können?
2. Die bei der Transkription entstehende mRNA wird anschliessend modifiziert.
a. Welche Modifikationen werden vorgenommen und in welchem Organell finden
diese statt?
b. Wozu dienen diese Modifizierungen?
3. Welche Struktur und Funktion besitzen tRNAs?
4. Wie
erfolgt
die
energetische
Aktivierung
von
Aminosäuren
bei
der
Proteinbiosynthese?
5. Es werden 61 Tripletts für die Proteinbiosynthese genutzt, aber es stehen nur etwa 50
verschiedene tRNAs zu Verfügung. Warum kann die Proteinbiosynthese dennoch
durchgeführt werden?
6. Welche
Verbindung
dient
im
Elongationszyklus
der
Proteinbiosynthese
als
Energielieferant?
7. Warum besteht der genetische Code aus Tripletts?
8. Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Ribozymen und Enzymen.
9. Skizzieren Sie ein Plasmid für die Expression eines Proteins in eukaryotischen Zellen
und markieren Sie die entscheidenden Bestandteile.
10. Was ist der Unterschied zwischen cDNA und chromosomaler DNA? Wie gewinnt man
cDNA?
11. Nennen Sie die Schritte, die bei der Polymerase-Ketten-Reaktion zur Amplifikation
eines DNA-Abschnitts durchlaufen werden. Welche Komponenten benötigt man, um
eine PCR durchzuführen?
12. Welche Aufgabe haben Restriktionsenzyme in Bakterien und wozu werden sie in der
Gentechnik eingesetzt? Wie sehen die typischen Erkennungssequenzen dieser
Enzyme auf der DNA aus?
13. Beschreiben Sie die Sequenzierung von DNA nach Sanger.
Übung 21/22, Thema:
Glycoproteine, Proteintransport in der Zelle, Prozessierung
1. Welche Proteine sind in der Regel glykosyliert?
2. Was versteht man unter O-Glykosylierung? In welchem zellulären Kompartiment
findet diese statt. An welchen Aminosäuren finden die Glykosylierungsreaktionen
statt?
3. Was versteht man unter N-Glykosylierung? In welchem zellulären Kompartiment
findet diese statt? Welche Aminosäuren werden glykosyliert und worin liegen die
Unterschiede zur O-Glykosylierung?
4. Wie können Proteine in der Plasmamembran verankert sein?
5. Wie gelangen Proteine in die mitochondrialen Subkompartimente (Matrix und
Intermembranraum) und woher kommt die Energie dafür?
6. Beschreiben Sie den Import von Proteinen in das Endoplasmatische Retikulum!
7. Wie werden Proteine in die Peroxisomen geleitet?
8. Beschreiben Sie den Proteintransport in bzw. aus dem Zellkern.
9. Beschreiben Sie den Aufbau des Kernporenkomplexes! Wie groß ist der Komplex?
10. Was sind posttranslationale Modifikationen und welche kennen Sie?
11. Gegeben sei ein integrales Protein der Plasmamembran. Das Polypeptid besitzt in
seiner Aminosäure-Sequenz folgendes Motiv: – Asn – Leu – Thr a. An welcher dieser Aminosäuren könnten Glykosylierungs-Reaktionen
stattfinden?
b. Formulieren Sie eine mögliche Verknüpfung zwischen Aminosäure und Zucker.
c. Wie gelangt dieses Polypeptid an seinen Bestimmungsort, d.h. in die
Plasmamembran?
d. Welche Signalsequenz erwarten Sie für dieses Polypeptid?
Übung 23/24, Thema:
Koordination und Integration des Stoffwechsels
1. Welche biochemische Bedeutung (Stoffwechselwege, Funktionen, Reaktionen) haben
folgende Strukturen bzw Kompartimente?
2. Welche Stoffwechselwege hängen vom Zusammenspiel von Reaktionen ab, die in
mindestens zwei unterschiedlichen Kompartimenten stattfinden?
3. Wie unterscheiden sich Glykolyse und Glukoneogenese?
4. Wie unterscheiden sich -Oxydation und Fettsäuresynthese?
5. Welches sind die Kontrollstellen im Citratzyklus und Penthosephosphatweg?
6. Glucose-6-Phosphat, Pyruvat und Acetyl-CoA sind Knotenpunkte des Stoffwechsels. Welche
Stoffwechselwege gehen von diesen Molekülen aus?
7. Sagen Sie die jeweils wichtigsten Auswirkungen voraus, wenn folgende Enzyme fehlen:
a) Carnitin-Acetyltransferase I im Skelettmuskel
b)
Glucose-6-phosphatase in der Leber
c) Hexokinase im Fettgewebe
d) Glucokinase in der Leber
8. Wie unterscheiden sich Hexokinase und Glucokinase in ihrer Regulation?
9. Wie sind Harnstoffzyklus und Citratzyklus miteinander verbunden?